RU2356133C2 - Water distribution control in fuel cells - Google Patents
Water distribution control in fuel cells Download PDFInfo
- Publication number
- RU2356133C2 RU2356133C2 RU2006127407/09A RU2006127407A RU2356133C2 RU 2356133 C2 RU2356133 C2 RU 2356133C2 RU 2006127407/09 A RU2006127407/09 A RU 2006127407/09A RU 2006127407 A RU2006127407 A RU 2006127407A RU 2356133 C2 RU2356133 C2 RU 2356133C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- battery
- fuel cell
- cathode
- liquid phase
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 235
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 148
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title description 26
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 81
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims abstract description 52
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 5
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 claims description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims 1
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 47
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 28
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 13
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 11
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 11
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 10
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 2
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 239000008400 supply water Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 239000008213 purified water Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
- H01M8/0435—Temperature; Ambient temperature of cathode exhausts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
- H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04126—Humidifying
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04544—Voltage
- H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04537—Electric variables
- H01M8/04574—Current
- H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04746—Pressure; Flow
- H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04828—Humidity; Water content
- H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04029—Heat exchange using liquids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04126—Humidifying
- H01M8/04134—Humidifying by coolants
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к электрохимическим топливным элементам, в частности к топливным элементам из твердого полимерного электролита, которые превращают топливо и окислитель в электрическую энергию и продукт реакции.The present invention relates to electrochemical fuel cells, in particular to solid polymer electrolyte fuel cells, which convert a fuel and an oxidizing agent into electrical energy and a reaction product.
На фиг.1 представлена типичная компоновка топливного элемента 10, причем для ясности данный чертеж демонстрирует различные слои конструкции топливного элемента в разобщенном виде. Между анодом 12 и катодом 13 расположена ионообменная мембрана 11 из твердого полимера. Как правило, анод 12 и катод 13, оба, изготовлены из электропроводного пористого материала, например пористого углерода, к которому прикреплены небольшие частицы платины и/или другого катализатора из благородного металла. Анод 12 и катод 13 обычно присоединены непосредственно к соответствующим примыкающим поверхностям мембраны 11. Такое соединение компонент топливного элемента обычно называют мембраноэлектродной сборкой или, сокращенно, МЭС.Figure 1 presents a typical layout of the
Полимерная мембрана и слои пористых электродов размещены между анодной пластиной 14 для распределения потока текучей среды и катодной пластиной 15 для распределения потока текучей среды. Кроме того, между анодной пластиной 14 для распределения текучей среды и анодом 12 и аналогичным образом между катодной пластиной 15 для распределения потока текучей среды и катодом 13 могут быть размещены промежуточные защитные слои 12а и 13а. Защитные слои имеют пористую структуру и изготовлены так, что они обеспечивают эффективную диффузию газа к поверхностям анода и катода и от этих поверхностей, а также способствуют управлению распределением паров воды и жидкой фазы воды.A polymer membrane and layers of porous electrodes are placed between the
Пластины 14 и 15 для распределения потока текучей среды выполнены из электропроводного непористого материала, за счет чего может быть осуществлен электрический контакт с соответствующими электродами, анодом 12 или катодом 13. В то же самое время пластины для распределения потока текучей среды должны способствовать подводу к пористым электродам и/или отводу от них топлива, окислителя и/или продукта реакции. Обычно это осуществляют путем формирования проходов для потока текучей среды на поверхности пластин для распределения потока текучей среды, например в виде пазов или канавок 16 на поверхности, обращенной к пористым электродам 12, 13.The
Кроме того, на фиг.2(а) показана одна известная конфигурация канавки для потока текучей среды, которая образует извилистую (змеевидную) структуру 20 на поверхности анода 14 (или катода 15), имеющую входной коллектор 21 и выходной коллектор 22, как это показано на фиг.2(а). В соответствии с известной конструкцией змеевидная структура 20 представляет собой канавку 16 на поверхности пластины 14 (или 15), в то же время каждый из коллекторов 21 и 22 включает проходящее сквозь пластину отверстие так, чтобы текучая среда, подводимая к канавке 16 или отводимая из нее, могла проходить через толщину пакета пластин в направлении, перпендикулярном пластине, указанном стрелкой на фиг.2(b), на которой изображен поперечный разрез по линии А-А, показанной на фиг.2(а).In addition, FIG. 2 (a) shows one known configuration of a fluid flow groove that forms a tortuous (serpentine)
Могут быть выполнены также другие отверстия 23, 25 коллекторов, обеспечивающие подвод топлива, окислителя, других текучих сред или отработанных газов в другие канавки, имеющиеся в пластинах (не показано).
Канавки 16 в пластинах 14, 15 для распределения потока текучей среды могут быть выполнены открытыми на обоих концах, т.е. эти канавки, проходящие, как показано, между входным коллектором 21 и выходным коллектором 22, обеспечивающие непрерывное прохождение потока текучей среды, обычно используют для подачи окислителя и отвода продукта реакции. В качестве альтернативы канавки 16 могут быть закрыты на одном конце, т.е. каждая канавка имеет сообщение только с входным коллектором 21 для подачи текучей среды в расчете на полную 100%-ную передачу газообразного вещества в пористые электроды МЭС или из них. Закрытая таким образом канавка может быть использована для подачи водородного топлива к элементам 11-13 МЭС конструкции гребенчатого типа.The
На фиг.3 показан поперечный разрез части пакета пластин, образующих обычную сборную конструкцию 30 топливного элемента. В этой конструкции соседние анодная и катодная пластины для распределения потока текучей среды объединены известным образом с образованием единой биполярной пластины 31, имеющей анодные канавки 32 на одной поверхности и катодные канавки 33 на противоположной поверхности, причем каждая из этих поверхностей примыкает к соответствующей мембраноэлектродной сборке (МЭС) 34. Все отверстия 21 входного коллектора и отверстия 22 выходного коллектора совмещены для образования входного и выходного коллекторов для всей батареи топливных элементов. Различные компоненты батареи топливных элементов на чертеже показаны слегка отделенными друг от друга, хотя понятно, что при необходимости они будут прижаты друг к другу с помощью уплотнительных прокладок.FIG. 3 is a cross-sectional view of a portion of a stack of plates forming a conventional
Для достижения высокой эффективности и длительности энергоснабжения от топливного элемента, главным образом, необходимо поддерживать высокое влагосодержание внутри мембраноэлектродной сборки и, в частности, внутри мембраны.To achieve high efficiency and duration of energy supply from the fuel cell, it is mainly necessary to maintain a high moisture content inside the membrane-electrode assembly and, in particular, inside the membrane.
В уровне техники это обычно достигается посредством увлажнения подводимых газов, а именно топлива, воздуха или обоих, поступающих через коллекторы 21, 22 или 23 и по канавкам 16. Иначе говоря, в канавки 16 подают воду в паровой фазе (далее - "паровая фаза воды"). Это, кроме того, может способствовать, в некоторой ограниченной степени, распределению тепловых потоков внутри блока топливного элемента.In the prior art, this is usually achieved by humidifying the supplied gases, namely fuel, air, or both, coming through the
Другой способ заключается в подводе воды в жидкой фазе (далее - "жидкая фаза воды") непосредственно к мембране 11, 34, например непосредственно к поверхностям электрода или в канавки 16 биполярных пластин 31. Преимущество такого способа заключается не только в обеспечении количества воды, необходимого для поддерживания ее высокого содержания в мембране, но также и в возможности значительного охлаждения топливного элемента за счет испарения и выделения скрытой теплоты парообразования. Подробно способ подвода жидкой фазы воды непосредственно к поверхностям электрода или в канавки 16 раскрыт в международной заявке PCT/GB03/02973 (на дату подачи данной заявки не опубликована). Поэтому в данном описании там, где это имеет отношение к раскрытию изобретения, воспроизведены релевантные части указанного патентного документа.Another method is to supply water in a liquid phase (hereinafter - the "liquid phase of water") directly to the
Такой способ непосредственного удаления тепла, который обеспечивает вывод тепловой энергии с помощью выходящего газового потока, имеет явное преимущество, связанное с возможностью исключения из батареи топливных элементов пластин охлаждения.This method of direct removal of heat, which provides the removal of thermal energy by means of the outgoing gas stream, has a clear advantage associated with the possibility of excluding cooling plates from the battery of fuel cells.
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа и устройства, позволяющих улучшить работу батареи топливных элементов с испарительным охлаждением посредством ввода избыточного количества воды в канавки 16 катодного электрода.An object of the present invention is to provide a method and apparatus for improving the operation of an evaporative-cooled fuel cell battery by introducing excess water into the
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение касается способа работы электрохимического топливного элемента, содержащего анод, ионообменную мембрану и катод, включающего стадииIn accordance with one aspect, the present invention relates to a method for operating an electrochemical fuel cell comprising an anode, an ion exchange membrane and a cathode, comprising the steps of
подвода текучего топлива в проточные канавки для текучей среды, выполненные в аноде;the supply of fluid fuel in the flow grooves for the fluid, made in the anode;
подачу текучего окислителя в проточные канавки для текучей среды, выполненные в катоде;supplying a fluid oxidizing agent to the fluid flow grooves made in the cathode;
отвод побочных продуктов реакции и неиспользованного окислителя из проточных канавок для текучей среды, выполненных в катоде; иremoval of reaction by-products and unused oxidizing agent from fluid flow grooves made in the cathode; and
подачу достаточного количества жидкой фазы воды в проточные канавки для текучей среды внутри катода так, чтобы по существу на всем протяжении канавок для текучей среды поддерживалась относительная влажность 100%.supplying a sufficient amount of a liquid phase of water to the flow grooves for the fluid inside the cathode so that a relative humidity of 100% is maintained substantially along the entire length of the grooves for the fluid.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение касается системы с электрохимическим топливным элементом, содержащейIn accordance with another aspect, the present invention relates to an electrochemical fuel cell system comprising
по меньшей мере, одну анодную пластину для распределения потока текучей среды, в которой имеются проточные канавки для текучей среды,at least one anode plate for distributing a fluid flow, in which there are flow grooves for the fluid,
по меньшей мере, одну ионообменную мембрану,at least one ion exchange membrane
по меньшей мере, одну катодную пластину для распределения потока текучей среды, в которой имеются проточные канавки для текучей среды,at least one cathode plate for distributing a fluid flow, in which there are flow grooves for the fluid,
средства для подачи текучего топлива в анодные проточные канавки для текучей среды,means for supplying fluid fuel to the anode flow grooves for the fluid,
средства для подачи текучего окислителя в катодные проточные канавки для текучей среды,means for supplying a fluid oxidizing agent to the cathode flow grooves for the fluid,
средства ввода воды для подачи достаточного количества жидкой фазы воды в проточные канавки для текучей среды, выполненные в катоде, так, чтобы по существу на всем протяжении канавок для текучей среды при нормальных условиях работы топливного элемента поддерживалась относительная влажность 100%.means for introducing water to supply a sufficient amount of a liquid phase of water to the flow grooves for the fluid made in the cathode, so that essentially 100% relative humidity is maintained throughout the length of the grooves for the fluid under normal operating conditions of the fuel cell.
Примеры осуществления настоящего изобретения будут раскрыты в нижеследующем описании с помощью примера и со ссылками на сопровождающие чертежи.Exemplary embodiments of the present invention will be disclosed in the following description by way of example and with reference to the accompanying drawings.
Фиг.1 - схематический поперечный разрез части известного топливного элемента.Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a portion of a known fuel cell.
Фиг.2(а) и 2(b) - пластины топливного элемента, показанного на фиг.1, предназначенные для распределения потока текучей среды, схематический вид в плане и вид в разрезе.FIGS. 2 (a) and 2 (b) are plates of the fuel cell shown in FIG. 1 for distributing a fluid flow, a schematic plan view and a sectional view.
Фиг.3 - известная батарея топливных элементов с биполярными пластинами, поперечный разрез.Figure 3 is a known fuel cell battery with bipolar plates, cross section.
Фиг.4(а) - пластина для распределения потока текучей среды топливного элемента, выполненная со змеевидным каналом для потока текучей среды, вид в плане, демонстрирующий расположение контуров фольги для распределения воды и защитной фольги.Figure 4 (a) is a plate for distributing a fluid flow of a fuel cell made with a serpentine channel for a fluid flow, a plan view showing the location of the contours of the foil for the distribution of water and the protective foil.
Фиг.4(b) - пластина для распределения потока текучей среды топливного элемента, выполненная со встречно-гребенчатой структурой канала для потока текучей среды, вид в плане, демонстрирующий расположение контуров фольги для распределения воды и защитной фольги.Fig. 4 (b) is a plate for distributing a fluid flow of a fuel cell made with a counter-comb structure of a channel for a fluid flow, a plan view showing the arrangement of the contours of the foil for the distribution of water and the protective foil.
Фиг.5 - фольга для распределения воды, вид в плане.5 is a foil for the distribution of water, a plan view.
Фиг.6 - пластина для распределения потока текучей среды, фольга для распределения воды и покрывающая фольга, в соответствии с фиг.4 и фиг.5, поперечный разрез.6 is a plate for distributing a fluid flow, a foil for distributing water and a covering foil, in accordance with figure 4 and figure 5, a cross section.
Фиг.7 - часть сборной конструкции, показанной на фиг.6, вид в перспективе.Fig.7 is a part of the prefabricated structure shown in Fig.6, a perspective view.
Фиг.8 - пластина для распределения потока текучей среды с обращенным взаимным расположением фольги для распределения воды и покрывающей фольги, поперечный разрез.Fig. 8 is a transverse sectional view of a plate for distributing a fluid flow with a reversed mutual arrangement of foil for distributing water and a coating foil.
Фиг.9 - схематический вид в плане точек ввода воды для канавок встречно-гребенчатой структуры.Fig.9 is a schematic view in plan of the points of entry of water for the grooves of the anti-comb structure.
Фиг.10 - схема, иллюстрирующая принципы водяного охлаждения катода топливного элемента.10 is a diagram illustrating the principles of water cooling of a cathode of a fuel cell.
Фиг.11 - график, иллюстрирующий изменение массы паровой фазы воды, отнесенной к единице массы воздуха, в зависимости от температуры для условий полного насыщения, т.е. при относительной влажности, равной 100%.11 is a graph illustrating the change in mass of the vapor phase of water, referred to a unit mass of air, depending on temperature for full saturation conditions, i.e. at a relative humidity of 100%.
Фиг.12 - график, иллюстрирующий изменение напряжения батареи топливных элементов в зависимости от расхода жидкой фазы воды, подводимой к катоду.12 is a graph illustrating a change in voltage of a fuel cell battery depending on a flow rate of a liquid phase of water supplied to a cathode.
Фиг.13 - графическая зависимость, иллюстрирующая теоретический минимальный расход воды в зависимости от тока батареи топливных элементов.13 is a graphical dependence illustrating a theoretical minimum water flow rate as a function of the current of a fuel cell battery.
Фиг.14 - блок-схема системы с батареей топливных элементов, включающей в себя систему управления подводом воды.Fig. 14 is a block diagram of a system with a fuel cell battery including a water supply control system.
В процессе функционирования сборной батареи 30 топливных элементов в ней вследствие электрохимических и электрических потерь выделяется теплота. В одном примере исполнения топливного элемента 10 с испарительным охлаждением, входящего в состав батареи, схематически показанного на фиг.10, эта теплота отводится благодаря тому, что температура отводимых отработанных продуктов 100, 101 превышает входную температуру реагентов 102, 103, и за счет испарения жидкой фазы воды 104, подводимой к катоду 13 и испаренной в воздушном потоке 103, поступающем в катод. Установлено, что при всех уровнях выработки энергии, за исключением самых низких, испарительное охлаждение является преобладающим механизмом отвода теплоты.During the operation of the assembled
Жидкая фаза воды 104 будет испаряться, если парциальное давление паровой фазы воды в воздушном потоке, проходящем через катод, будет достаточно низким, т.е. испарение будет происходить в таких условиях, когда относительная влажность составляет менее 100% и осуществляется подвод теплоты для испарения жидкой фазы воды. Как только локальные условия становятся такими, что относительная влажность воды составляет 100%, т.е. воздух насыщен парами воды, дальнейшего испарения не будет происходить до тех пор, пока не будет выполняться одно из трех следующих условий: (i) расход воздуха увеличивают таким образом, чтобы парциальное давление паровой фазы воды уменьшалось по обратно пропорциональной зависимости, (ii) полное давление уменьшается так, чтобы пропорционально понижалось парциальное давление паровой фазы воды, (iii) локальная температура возрастает, что приводит к смещению точки термодинамического равновесия, и в результате испарение может происходить еще до тех пор, пока воздух не станет полностью насыщен влагой.The liquid phase of
Таким образом, для топливного элемента 10, функционирующего в условиях избытка воды в каждой точке катода 13 в батарее 30 топливных элементов, а также при постоянном давлении и постоянном расходе воздуха на катоде условия локального равновесия таковы, что воздух полностью насыщен парами воды, и любой дополнительный отвод теплоты посредством испарения может быть осуществлен только за счет повышения локальной температуры.Thus, for a
Реальное увеличение температуры для осуществления процесса испарения и, следовательно, охлаждения топливного элемента зависит от чувствительности точки равновесия испарения при преобладающих рабочих условиях и необходимой степени охлаждения. Фиг.11 качественно иллюстрирует изменение массы паровой фазы воды, отнесенной к единице массы воздуха, при изменении температуры для условий полного насыщения, т.е. в условиях 100%-ной относительной влажности и постоянства общего давления. Таким образом, рабочая температура батареи в значительной степени определяется интенсивностью испарения, необходимой для реализации процесса охлаждения, общим давлением и массовым расходом потока воздуха на катоде.The actual increase in temperature for the implementation of the evaporation process and, consequently, the cooling of the fuel cell depends on the sensitivity of the evaporation equilibrium point under the prevailing operating conditions and the required degree of cooling. 11 qualitatively illustrates the change in mass of the vapor phase of water, referred to a unit mass of air, with a change in temperature for conditions of complete saturation, i.e. in conditions of 100% relative humidity and constant total pressure. Thus, the operating temperature of the battery is largely determined by the evaporation rate necessary for the implementation of the cooling process, the total pressure and the mass flow rate of the air flow at the cathode.
Как показано на фиг.11, при более высокой температуре небольшой рост температуры ΔТ приводит к значительному возрастанию Δm, т.е. массы паровой фазы воды, которая может содержаться в потоке воздуха, и, следовательно, к увеличению массы испаренной воды, что может происходить в результате выделения теплоты внутри топливной батареи. В результате температура топливной батареи в широкой области тепловых нагрузок будет оставаться приблизительно постоянной как в целом (т.е. в зависимости от изменения общей энергии топливной батареи), так и локально (за счет изменений величины локального тепловыделения вследствие неравномерности температуры внутри батареи при данной общей мощности батареи). Это обуславливает высокую степень неявного регулирования при рабочих температурах батареи и приводит к хорошему тепловому балансу, поддерживаемому по всей батарее.As shown in FIG. 11, at a higher temperature, a small increase in temperature ΔT leads to a significant increase in Δm, i.e. mass of the vapor phase of water, which may be contained in the air stream, and, consequently, to an increase in the mass of evaporated water, which may occur as a result of heat generation inside the fuel battery. As a result, the temperature of the fuel battery over a wide range of heat loads will remain approximately constant both as a whole (i.e., depending on the change in the total energy of the fuel battery) and locally (due to changes in the local heat generation due to the non-uniform temperature inside the battery at this total battery power). This leads to a high degree of implicit regulation at the operating temperatures of the battery and leads to a good thermal balance maintained throughout the battery.
Кроме того, наличие избытка воды в отдельных канавках 16 или проточных каналах сборной конструкции батареи 30 топливных элементов позволяет осуществлять косвенное регулирование расхода воздуха в каждом канале нижеследующим образом. Если в определенном канале расход воздуха превышает среднюю величину расхода, то в этом случае с целью дополнительного охлаждения, если оно необходимо, в поток воздуха может быть испарено дополнительное количество воды. Это приводит к повышению объемного расхода на выходе из проточного канала выше среднего уровня, что в условиях одинакового перепада давления по всем проточным каналам ограничивает расход воздуха в канале топливного элемента, обеспечивая неявное регулирование расхода воздуха с улучшением теплового баланса батареи и, следовательно, улучшением баланса напряжения в топливных элементах батареи. Одинаковый перепад давления по всем канавкам 16 обычно достигается за счет выбора соотношения размеров коллекторов 21, 22 и канавок 16.In addition, the presence of excess water in the
Косвенное регулирование температуры батареи может быть реализовано, если это необходимо, путем уменьшения расхода воздуха, подводимого к катоду, и/или путем изменения общего давления подводимого к катоду потока воздуха. Другими словами, с этой целью может быть увеличен расход воздуха, что приводит к снижению парциального давления водяного пара за счет увеличения общего объема воздуха, в который может испаряться вода. Следовательно, может быть испарено добавочное количество воды до достижения состояния насыщения, что обеспечивает дополнительное охлаждение и приводит к снижению рабочей температуры топливной батареи.Indirect control of the battery temperature can be implemented, if necessary, by reducing the air flow supplied to the cathode, and / or by changing the total pressure of the air flow supplied to the cathode. In other words, air flow can be increased for this purpose, which leads to a decrease in the partial pressure of water vapor by increasing the total volume of air into which water can evaporate. Therefore, additional water can be evaporated until saturation is achieved, which provides additional cooling and reduces the operating temperature of the fuel battery.
В качестве альтернативы или дополнительно может быть уменьшено выходное давление. За счет снижения общего давления будет уменьшаться парциальное давление водяного пара. Это вызывает смещение точки термодинамического равновесия так, что до наступления состояния насыщения может быть испарено дополнительное количество воды, создавая тем самым дополнительное охлаждение и приводя к снижению рабочей температуры батареи.Alternatively or additionally, the outlet pressure may be reduced. By reducing the total pressure, the partial pressure of water vapor will decrease. This causes a shift in the point of thermodynamic equilibrium so that an additional amount of water can be evaporated before the saturation state occurs, thereby creating additional cooling and leading to a decrease in the operating temperature of the battery.
Другие параметры, такие, как расход текучих сред на аноде, входная температура топлива и окислителя, поверхностные утечки и т.д., как было установлено, являются менее важными.Other parameters, such as the flow rate of the fluid at the anode, the inlet temperature of the fuel and oxidizer, surface leakage, etc., have been found to be less important.
В предпочтительном воплощении системы, преимущественно не находящейся под давлением, типичная рабочая температура батареи топливных элементов составляет от 70 до 80°С. Однако, в принципе, эта температура может изменяться в интервале от 65 до 95°С за счет регулирования расхода воздуха и/или полного давления потока воздуха на аноде. При низких уровнях мощности, когда испарительное охлаждение не является доминирующим процессом, рабочая температура батареи может быть значительно более низкой. Функционирование системы при более высоких или более низких давлениях позволяет значительно изменять границы интервалов температур, указанных выше.In a preferred embodiment of the system, which is preferably not under pressure, a typical operating temperature of a fuel cell stack is from 70 to 80 ° C. However, in principle, this temperature can vary in the range from 65 to 95 ° C due to the regulation of air flow and / or the total pressure of the air flow at the anode. At low power levels, when evaporative cooling is not the dominant process, the operating temperature of the battery can be significantly lower. The functioning of the system at higher or lower pressures allows you to significantly change the boundaries of the temperature ranges indicated above.
На практике средняя температура реагентов и жидкой фазы воды, вводимых в батарею топливных элементов, может быть ниже, чем рабочая температура батареи. Поэтому некоторая степень охлаждения будет обеспечена за счет нагрева этих входящих потоков до рабочей температуры топливной батареи. При достижении входящими потоками рабочей температуры батареи остальное охлаждения будет обеспечиваться вследствие испарения жидкой фазы воды в воздушный поток на катоде. Доля испарительного охлаждения зависит от ряда факторов, включая расход воздуха на катоде, расход воды, мощность батареи топливных элементов и температуру входящих потоков текучих сред. В большинстве случаев испарительное охлаждение является преобладающим механизмом процесса охлаждения, приводящим к высокой эффективности вышеупомянутого косвенного регулирования температуры. Однако, в тех случаях, когда средняя температура входящих потоков текучих сред ниже рабочей температуры топливной батареи, в той зоне батареи, в которую поступают реагенты и жидкая фаза воды, будет существовать температурный перепад.In practice, the average temperature of the reagents and the liquid phase of the water introduced into the battery of the fuel cells may be lower than the operating temperature of the battery. Therefore, some degree of cooling will be achieved by heating these inlet streams to the operating temperature of the fuel battery. When the incoming flows reach the operating temperature of the battery, the rest of the cooling will be ensured due to the evaporation of the liquid phase of water into the air stream at the cathode. The proportion of evaporative cooling depends on a number of factors, including cathode air flow, water flow, fuel cell battery power and temperature of the incoming fluid flows. In most cases, evaporative cooling is the predominant mechanism of the cooling process, leading to the high efficiency of the aforementioned indirect temperature control. However, in cases where the average temperature of the incoming fluid flows is lower than the operating temperature of the fuel battery, a temperature difference will exist in the area of the battery into which the reagents and the liquid phase of the water enter.
Для того чтобы испарительное охлаждение было эффективным, в каждой части батареи топливных элементов должно находиться достаточное количество жидкой фазы воды. В случае недостатка воды энергетическая характеристика батареи будет ухудшаться с потенциально серьезными негативными последствиями.In order for evaporative cooling to be effective, a sufficient amount of the liquid phase of water must be present in each part of the fuel cell stack. In the event of a lack of water, the energy performance of the battery will deteriorate with potentially serious negative consequences.
Возможные проблемы включают в себя следующие: (i) осушение мембраны, приводящее к уменьшению напряжения на соответствующем топливном элементе, (ii) горячие пятна, обусловленные недостатком жидкой фазы воды и, следовательно, недостаточным испарительным охлаждением, приводящим к повреждению мембраны и сокращению срока ее службы.Possible problems include the following: (i) drainage of the membrane, which leads to a decrease in voltage on the corresponding fuel cell, (ii) hot spots caused by the lack of a liquid phase of water and, therefore, insufficient evaporative cooling, which will damage the membrane and shorten its life .
Для обеспечения количества воды, достаточного для испарительного охлаждения, могут быть использованы следующие альтернативные методики: (i) точное дозирование жидкой фазы воды, подводимой к катоду, так, чтобы ее количество было как раз достаточным для поддерживания относительной влажности 100% по всей поверхности катода и в каждом топливном элементе батареи топливных элементов, или (ii) подвод избыточного количества жидкой фазы воды ко всей батарее так, чтобы избыток воды постоянно поддерживался по всей поверхности катода и в каждом топливном элементе батареи топливных элементов. Для обеспечения необходимого подвода жидкой воды к катоду каждая и любая катодная канавка 16 может иметь точки ввода воды, как это будет показано ниже.To provide sufficient water for evaporative cooling, the following alternative methods can be used: (i) accurate dosing of the liquid phase of the water supplied to the cathode, so that its amount is just sufficient to maintain a relative humidity of 100% over the entire surface of the cathode and in each fuel cell of the battery of fuel cells, or (ii) supplying an excess amount of the liquid phase of water to the entire battery so that the excess water is constantly maintained over the entire surface of the cathode and in each fuel om battery cell of the fuel cell. To ensure the necessary supply of liquid water to the cathode, each and any
В действующих топливных элементах трудно обеспечить точное дозирование жидкой воды к каждому компоненту батареи топливных элементов. Кроме того, допуски изготовления и неоднородность рабочих условий обуславливают различные требования для охлаждения в каждом участке батареи топливных элементов, что усиливает трудности, связанные с необходимостью точного дозирования.In current fuel cells, it is difficult to accurately meter liquid water to each component of a fuel cell stack. In addition, manufacturing tolerances and heterogeneous operating conditions cause different requirements for cooling in each section of the battery of fuel cells, which increases the difficulties associated with the need for accurate dosing.
Поэтому снабжение катода водой с таким избытком, что ее излишек на катоде всегда имеет место на каждом участке внутри батареи, является предпочтительным методом, поскольку позволяет избежать осушения мембраны, появления горячих пятен и приводит к улучшению эксплуатационных характеристик батареи и увеличению срока ее службы.Therefore, supplying the cathode with water with such an excess that its excess at the cathode always takes place in each area inside the battery is the preferred method, since it avoids the drying of the membrane, the appearance of hot spots and leads to improved battery performance and longer battery life.
Итак, согласно одному основному аспекту изобретения подвод избытка жидкой фазы воды к катоду позволяет поддерживать относительную влажность 100% в катоде по существу на всем протяжении проточных канавок для текучей среды.So, according to one main aspect of the invention, supplying the excess liquid phase of water to the cathode allows maintaining a relative humidity of 100% in the cathode over substantially the entire length of the flow grooves for the fluid.
В соответствии с другим аспектом изобретения при функционировании топливного элемента подачу жидкой фазы воды к катоду и/или расход газа через катод для любой измеренной мощности, отводимой от топливного элемента, регулируют таким образом, чтобы на всех участках поверхности катода количество жидкой фазы воды было больше, чем может быть испарено при существующих температуре и давлении.In accordance with another aspect of the invention, when the fuel cell is operating, the supply of the liquid phase of water to the cathode and / or the gas flow through the cathode for any measured power removed from the fuel cell is controlled so that the amount of the liquid phase of water is greater in all sections of the cathode surface, than can be evaporated at existing temperature and pressure.
Согласно еще одному аспекту вышеуказанные условия работы топливного элемента применяют к множеству таких топливных элементов, входящих в состав батареи топливных элементов, имеющей общий коллектор подачи окислителя и общий коллектор ввода воды, так, что для любой измеренной мощности, отводимой от батареи топливных элементов, подачу жидкой фазы воды в коллектор ввода воды и/или расход газа через коллектор подвода окислителя регулируют таким образом, чтобы на всех участках поверхности катода всех топливных элементов количество жидкой фазы воды было больше, чем может быть испарено при существующих температуре и давлении.According to yet another aspect, the above fuel cell operating conditions are applied to a plurality of such fuel cells included in a fuel cell battery having a common oxidizer supply manifold and a common water inlet collector, so that for any measured power removed from the fuel cell battery, a liquid feed the phases of the water into the water inlet collector and / or the gas flow rate through the oxidizer supply manifold are controlled so that the amount of liquid PS was more water than can be evaporated under the existing temperature and pressure.
Для практически используемой батареи, которой присущи реально существующие неоднородности, при нормальных рабочих условиях и величине водяного коэффициента менее единицы следует принимать во внимание, что некоторые элементы батареи могут получать меньшее количество жидкой фазы воды, чем это необходимо для поддерживания на катоде относительной влажности 100%, по существу по всей длине проточных канавок для текучей среды на катоде. Соответственно некоторые элементы батареи могут получать большее количество жидкой фазы воды, чем требуется для поддерживания относительной влажности 100%, по существу на всей длине проточных каналов для текучей среды в катоде. Поэтому согласно другому аспекту изобретения избыток подвода жидкой фазы воды к батарее выбирают таким образом, чтобы все компоненты этой батареи получали, по меньшей мере, минимальное количество жидкой фазы воды, необходимое для поддерживания относительной влажности, равной 100%, по существу на всем протяжении проточных каналов, имеющихся в катоде, что соответствует водяному коэффициенту батареи топливных элементов больше единицы.For a practically used battery, which is characterized by real existing inhomogeneities, under normal operating conditions and a water coefficient of less than unity, it should be taken into account that some battery cells can receive a smaller amount of the liquid phase of water than is necessary to maintain a relative humidity of 100% at the cathode, substantially the entire length of the flow grooves for the fluid at the cathode. Accordingly, some battery cells can receive a larger amount of the liquid phase of water than is required to maintain a relative humidity of 100%, essentially along the entire length of the flow channels for the fluid in the cathode. Therefore, according to another aspect of the invention, the excess supply of the liquid phase of water to the battery is selected so that all the components of this battery receive at least the minimum amount of liquid phase of water necessary to maintain a relative humidity of 100%, essentially along the entire length of the flow channels available in the cathode, which corresponds to the water coefficient of the fuel cell battery is greater than one.
Фиг.12 качественно иллюстрирует изменение напряжения топливной батареи в зависимости от расхода жидкой фазы воды, подводимой к катоду, для типичной батареи топливных элементов, функционирующей с испарительным охлаждением, работающей при постоянной величине тока и постоянном расходе воздуха на катоде. При низких расходах воды полное напряжение батареи уменьшается, свидетельствуя о том, что некоторые элементы батареи возможно не получают достаточного количества жидкой фазы воды для обеспечения соответствующего охлаждения и/или соответствующей гидратации мембраны. С увеличением расхода воды достигается максимальная величина напряжения батареи (показано позицией 120), при этом вода подводится в избытке ко всем составным частям батареи топливных элементов. При более высоких расходах воды напряжение батареи постепенно снижается, возможно, вследствие уменьшения результирующего парциального давления кислорода в воздушном потоке (замещаемого водой) на катоде и/или возможно в результате блокирования переноса газа к мембране или от мембраны за счет наличия воды.12 qualitatively illustrates the variation in the voltage of the fuel battery depending on the flow rate of the liquid phase of the water supplied to the cathode for a typical fuel cell battery operating with evaporative cooling operating at a constant current value and a constant air flow rate at the cathode. At low water flow rates, the total voltage of the battery decreases, indicating that some battery cells may not receive enough liquid phase water to provide adequate cooling and / or adequate hydration of the membrane. With increasing water consumption, the maximum value of the battery voltage is reached (shown at 120), while water is supplied in excess to all components of the fuel cell battery. At higher water flow rates, the battery voltage gradually decreases, possibly due to a decrease in the resulting partial oxygen pressure in the air stream (replaced by water) at the cathode and / or possibly as a result of blocking the transfer of gas to or from the membrane due to the presence of water.
Кроме того, при более высоких расходах воды баланс топливных элементов (как показывает контроль напряжения на топливных элементах) может ухудшаться, показывая тем самым величину верхнего предела максимального водяного коэффициента, который может быть реализован для данной батареи. Помимо того может быть так, что максимальный расход воды определяется максимально достижимой величиной расхода при использовании подходящего водяного насоса.In addition, at higher water flow rates, the balance of fuel cells (as shown by monitoring the voltage on the fuel cells) may deteriorate, thereby showing the value of the upper limit of the maximum water coefficient that can be implemented for a given battery. In addition, it may be that the maximum flow rate is determined by the maximum achievable flow rate using a suitable water pump.
Несмотря на эти ограничивающие факторы было установлено, что может быть выделена большая рабочая область, в пределах которой к катоду могут поступать значительные количества избытка воды, обеспечивая достаточную гидратацию и охлаждение каждой составной части батареи топливных элементов.Despite these limiting factors, it was found that a large working area can be allocated within which significant amounts of excess water can flow to the cathode, providing sufficient hydration and cooling of each component of the fuel cell battery.
Количество воды, подводимой к катоду, полезно представить в виде величины, кратной теоретическому минимальному ее количеству, необходимому для испарительного охлаждения, т.е. тем самым определяется "водяной коэффициент" ВКThe amount of water supplied to the cathode is useful to present as a multiple of the theoretical minimum amount required for evaporative cooling, i.e. thereby determines the "water coefficient" VK
ВК=mw/mw (minimum)VK = m w / m w (minimum)
где mw - массовый расход подводимой жидкой фазы воды, а mw (minimum) - теоретический минимальный расход жидкой фазы воды, вычисляемый в соответствии с методикой, приведенной ниже.where m w is the mass flow rate of the supplied liquid phase of water, and m w (minimum) is the theoretical minimum flow rate of the liquid phase of water, calculated in accordance with the procedure below.
Теоретическое минимальное количество воды, необходимое для испарительного охлаждения, может быть рассчитано путем составления теплового баланса для топливного элемента и, предполагая, чтоThe theoretical minimum amount of water needed for evaporative cooling can be calculated by compiling the heat balance for the fuel cell and assuming that
(i) энтальпия реакции равна низкой теплотворной способности топлива, так как паровая фаза воды производится как продукт (в отсутствии избытка воды);(i) the enthalpy of the reaction is equal to the low calorific value of the fuel, since the vapor phase of the water is produced as a product (in the absence of excess water);
(ii) тепловая нагрузка на топливном элементе определена на основании экспериментальных данных по производительности (выходу реакции) в зависимости от тока топливной батареи;(ii) the thermal load on the fuel cell is determined on the basis of experimental data on productivity (reaction output) depending on the current of the fuel battery;
(iii) тепловая нагрузка равна приросту энтальпии продуктов реакции по отношению к энтальпии исходных реагентов, включая в него полное испарение жидкой фазы воды, подводимой к катоду.(iii) the heat load is equal to the increase in the enthalpy of the reaction products with respect to the enthalpy of the starting reagents, including the complete evaporation of the liquid phase of the water supplied to the cathode.
Следовательно, фактический водяной коэффициент для заданной рабочей точки может быть определен как кратное этой величины.Therefore, the actual water coefficient for a given operating point can be defined as a multiple of this value.
Следует учитывать, что водяной коэффициент может быть получен другими, по сравнению с изложенным выше, методами, при применении которых могут быть получены несколько иные предпочтительные интервалы величины водяного коэффициента, соответствующего данному здесь его определению.It should be borne in mind that the water coefficient can be obtained by other methods compared to those described above, the use of which can give slightly different preferred ranges of the water coefficient corresponding to its definition here.
На фиг.13 схематически показан теоретический минимальный расход жидкой фазы воды в зависимости от тока батареи, т.е. местоположение точек для водяного коэффициента, равного единице, обозначенное на чертеже линией WF=1. При увеличении тока батареи требуемый расход воды возрастает не линейно, т.к. при более высоких величинах тока эффективность работы батареи уменьшается, что обуславливает нелинейное увеличение количества выделяемой теплоты.13 schematically shows the theoretical minimum flow rate of the liquid phase of water depending on the battery current, i.e. the location of the points for the water coefficient equal to unity, indicated in the drawing by the line WF = 1. With increasing battery current, the required water flow increases non-linearly, as at higher currents, the efficiency of the battery decreases, which leads to a nonlinear increase in the amount of heat released.
Как было отмечено выше, неоднородности в батарее и их влияние на расход воды при оптимальной эксплуатационной характеристике (на фиг.12 соответствует области между линиями 121 и 122) диктуют необходимость функционирования реальной батареи топливных элементов, в которой невозможно отдельное дозирование воды внутрь батареи в каждой ее точке, при минимальной величине водяного коэффициента, которая допускает некоторый предел указанных неоднородностей. Другими словами, реализуемый водяной коэффициент должен быть достаточно больше единицы, чтобы обеспечить для всех топливных элементов батареи и всех компонентов каждого топливного элемента относительную влажность, равную 100%. Максимальная величина используемого водяного коэффициента диктуется максимально приемлемым падением эксплуатационных характеристик батареи. Предпочтительные нижний и верхний пределы водяного коэффициента WF в зависимости от тока батареи качественно отображены на фиг.13 пунктирными линиями 130 и 131.As noted above, the inhomogeneities in the battery and their effect on water consumption at optimal performance (in Fig. 12 corresponds to the area between
Верхний и нижний пределы 130 и 131 водяного коэффициента могут быть определены посредством испытаний или тарировки подходящей батареи 30 топливных элементов. Тарировка батареи может быть проведена путем изменения расхода воды, поступающей к катоду, работающему при постоянной величине тока и постоянном стехиометрическом количестве воздуха, с целью определения минимальных расходов воды, показанных линией 121, и максимальных расходов воды, показанных линией 122. Эту тарировку повторяют в интервале возможных токов батареи (и, возможно, в интервале допустимых стехиометрических количеств воздуха), который будет соответствовать обычному интервалу рабочих условий батареи. Таким образом, тарировка устанавливает верхний и нижний пределы водяного коэффициента в зависимости от тока батареи.The upper and lower limits of
Используемый здесь термин "стехиометрическое количество воздуха" означает количество кислорода, поступающее на вход 103, нормализованное по количеству кислорода, потребляемого в электрохимической реакции. Таким образом, при стехиометрическом количестве воздуха, равном 1, весь кислород воздуха соединяется с водородом с образованием воды. При стехиометрическом количестве воздуха, равном 2, в топливном элементе 10 потребляется 50% кислорода и 50% содержится в потоке на выходе 101 из катода. Количество кислорода, необходимое для реакции, находится в прямой зависимости от мощности батареи, к.п.д. батареи и изменения энергии в результате реакционного взаимодействия.As used herein, the term "stoichiometric amount of air" means the amount of oxygen supplied to
В условиях массового производства можно также проводить испытание ряда представительных батарей для того, чтобы можно было установить единый ряд допусков с приемлемыми границами погрешностей, которые будут подходящими для всех топливных батарей данной серии.In the context of mass production, it is also possible to test a number of representative batteries so that a single set of tolerances can be established with acceptable margins of error that will be suitable for all fuel batteries in a given series.
В предпочтительном воплощении расход воздуха 103 на катоде регулируют соразмерно току батареи таким образом, что батарея работает со стехиометрическим количеством воздуха, приблизительно равным 2, установленным требованиями электрохимических процессов. На практике, однако, расход воздуха на катоде можно изменять так, чтобы стехиометрическое количество воздуха находилось в интервале от 1,1 до 10 и более предпочтительно в интервале от 1,4 до 4, в зависимости от конкретных требований для данной батареи топливных элементов. При низких токах и, следовательно, низком потреблении реагентов в топливном элементе стехиометрическое количество воздуха может быть значительно выше этих величин, поскольку минимальный расход воздуха ограничен минимальным расходом, обеспечиваемым воздушным компрессором.In a preferred embodiment, the
В предпочтительном воплощении изобретения, как установлено, расход воды является линейной функцией тока батареи, что схематически отражено на фиг.13. Водяной коэффициент для этого метода регулирования обычно изменяется в интервале от 1,5 до 40, более предпочтительно - в интервале от 3 до 6.In a preferred embodiment of the invention, it has been found that the water flow is a linear function of the battery current, which is shown schematically in FIG. The water coefficient for this control method typically ranges from 1.5 to 40, more preferably from 3 to 6.
На практике водяной коэффициент может быть выбран каким-либо в диапазоне от 0 до 40 в зависимости от рабочих условий батареи и допустимого максимального ухудшения характеристик батареи вследствие избытка воды (см. фиг.12). Например, если батарея работает с низкой выходной мощностью или запускается в холодных условиях и, следовательно, не достигает максимальной рабочей температуры, в целях временного увеличения скорости разогрева батареи расход воды может быть установлен с низким значением водяного коэффициента или уменьшен до нуля.In practice, the water coefficient can be selected any in the range from 0 to 40 depending on the operating conditions of the battery and the permissible maximum deterioration of the battery due to excess water (see Fig. 12). For example, if the battery operates at a low output power or starts in cold conditions and, therefore, does not reach the maximum operating temperature, in order to temporarily increase the heating rate of the battery, the water flow rate can be set with a low water coefficient or reduced to zero.
В целях индикации рабочей температуры батареи и осуществления процесса регулирования с обратной связью насоса для подачи воды может проводиться непрерывный контроль выходной температуры на катоде. Таким образом, в одном аспекте данная система может обеспечить временно подачу некоторого количества воды в проточные канавки для текучей среды, имеющиеся внутри катода, так, чтобы поддерживать относительную влажность менее 100% (водяной коэффициент меньше единицы) в том случае, если температура на выходе из катода ниже предварительно заданного порога, соответствующего недостаточно оптимальной рабочей температуре, или в течение предварительно заданного периода времени, следующего за холодным запуском топливного элемента.In order to indicate the operating temperature of the battery and to carry out a feedback control process of the water supply pump, continuous monitoring of the output temperature at the cathode can be carried out. Thus, in one aspect, this system can temporarily supply a certain amount of water to the fluid flow grooves within the cathode so as to maintain a relative humidity of less than 100% (water coefficient less than unity) if the exit temperature is the cathode below a predetermined threshold corresponding to an insufficiently optimal operating temperature, or during a predetermined period of time following the cold start of the fuel cell.
Для регулирования подачи воды могут быть использованы дозирующий насос, блок управления расходом или метод регулирования давления. При низких уровнях мощности необходимое количество воды может быть ниже минимального расхода, который может быть получен с помощью используемого водяного насоса. Поэтому при низких уровнях мощности может быть установлен минимальный расход воды, соответствующий заданному значению минимального напряжения для водяного насоса, чтобы предотвратить срыв насоса. Это схематически показано на фиг.13 для величин тока менее Icrit.A metering pump, a flow control unit, or a pressure control method can be used to control the water supply. At low power levels, the required amount of water may be lower than the minimum flow rate that can be obtained using the water pump used. Therefore, at low power levels, a minimum water flow rate can be set to match the set minimum voltage for the water pump to prevent pump breakdown. This is shown schematically in FIG. 13 for current values less than I crit .
Следует принимать во внимание, что количество воды, подводимой в батарею топливных элементов, может, в принципе, соответствовать какой-либо зависимости от тока, при условии, что величина расхода воды находится в пределах между минимальным и максимальным уровнями водяного коэффициента, определяемого путем тарировки соответствующей батареи топливных элементов или ряда типичных батарей топливных элементов.It should be taken into account that the amount of water supplied to the fuel cell battery can, in principle, correspond to some current dependence, provided that the water flow rate is between the minimum and maximum levels of the water coefficient, determined by calibrating the corresponding fuel cell batteries or a number of typical fuel cell batteries.
Поскольку методика управления величиной водяного коэффициента имеет определенные границы, дополнительная гибкость при осуществлении охлаждения может быть достигнута путем регулирования расхода воздуха на катоде и/или общего давления воздуха на катоде.Since the method of controlling the magnitude of the water coefficient has certain boundaries, additional flexibility in the implementation of cooling can be achieved by controlling the air flow at the cathode and / or the total air pressure at the cathode.
В дополнение к изложенному выше батарея может быть выполнена с возможностью непрерывного контроля напряжения топливных элементов так, что рабочее напряжение служит индикатором недостатка или избытка воды, при этом необходимое регулирование осуществляется в реальном времени.In addition to the above, the battery can be configured to continuously monitor the voltage of the fuel cells so that the operating voltage serves as an indicator of a shortage or excess of water, with the necessary regulation being carried out in real time.
Пример схемы управления водяной системой в батарее топливных элементов раскрыт далее со ссылкой на фиг.14.An example of a control system for a water system in a fuel cell battery is disclosed below with reference to FIG.
Система 140 с топливными элементами включает в себя батарею 30 топливных элементов, снабженную линией 102 подвода топлива, линией 100 отвода от анода, линией 103 подачи воздуха, линией 104 нагнетания воды и линией 101 отвода от катода. Линия подвода топлива проходит от источника 141 топлива, возможно через увлажнитель 142 в соответствии с хорошо известными принципами. Линия 100 отвода от анода может быть соединена непосредственно с окружающей средой 143, или же, по меньшей мере, частично в соответствии с известными принципами может быть осуществлена рециркуляция потока, с использованием для этого контура 144 регулирования рециркуляции. Линия 103 подачи воздуха питается от воздушного компрессора 145. Линия 104 нагнетания воды питается от водяного насоса 146. Вода может подаваться от соответствующего источника очищенной воды или может рециркулировать с выхода катода через подходящий охладитель (не показан). Линия 101 отвода потока от катода может быть направлена в окружающую среду и предпочтительно содержит выходной датчик 147, который измеряет, по меньшей мере, выходную температуру.The fuel cell system 140 includes a
К выходу катода может быть подсоединен насос 148 для уменьшения и/или регулирования давления на выходе катода. Насос 148 может быть использован в дополнение к подаче сжатого воздуха от компрессора 145 или вместо нее, т.е. подача воздуха в ином случае может осуществляться и при атмосферном давлении.A pump 148 may be connected to the cathode output to reduce and / or control the pressure at the cathode output. Pump 148 may be used in addition to or instead of providing compressed air from compressor 145, i.e. otherwise, air may also be supplied at atmospheric pressure.
Кроме того, система 140 с топливными элементами содержит блок 150 управления, который предпочтительно получает входные сигналы от датчиков, соответствующие напряжению 151 батареи, току 152 батареи и выходной температуре 153. Блок 150 управления с помощью подходящих линий передачи управляющих сигналов может быть также подключен к воздушному компрессору 145 и насосу 146 для подачи воды.In addition, the fuel cell system 140 comprises a control unit 150 that preferably receives input signals from sensors corresponding to a battery voltage 151, a battery current 152, and an output temperature 153. The control unit 150 may also be connected to the air through appropriate control signal transmission lines. compressor 145 and pump 146 for supplying water.
Блок управления 150 может быть выполнен с возможностью функционирования в двух режимах.The control unit 150 may be configured to operate in two modes.
В первом режиме работы блок 150 управления может быть приспособлен для получения данных тарировки, используемых для последующего функционирования батареи 30 топливных элементов. В режиме тарировки блок 150 управления с помощью насоса 146 изменяет расход воды, которая подводится к батарее в условиях постоянного входного давления воздуха и постоянного отвода тока от батареи топливных элементов, а также принимает измеренные сигналы напряжения батареи для определения по их величине соответствующих минимального и максимального уровней водяных коэффициентов 121 и 122 (фиг.12). Данные измерений величины напряжения сохраняются в тарировочной таблице 154. Тарировка может быть повторена для одной или более различных нагрузок по току, различных входных давлений воздуха и различных стехиометрических количеств воздуха с целью накопления ряда полных всесторонних данных, подходящих для регулирования подачи воды к батарее в области рабочих режимов топливных элементов.In the first mode of operation, the control unit 150 may be adapted to obtain calibration data used for the subsequent operation of the
Во втором рабочем режиме блок 150 управления приспособлен для использования полученных данных тарировки, накопленных в тарировочной таблице 154, с целью поддерживания оптимальных условий функционирования батареи топливных элементов. Например, блок 150 управления приспособлен для непрерывного контроля напряжения и тока батареи и управления насосом 146 подачи воды (и, возможно, воздушным компрессором) для поддерживания соответствующей величины водяного коэффициента при оптимальных эксплуатационных характеристиках топливного элемента. В предпочтительных системах величина водяного коэффициента составляет от 1,5 до 40, более предпочтительно от 3 до 6.In the second operating mode, the control unit 150 is adapted to use the obtained calibration data accumulated in the calibration table 154 in order to maintain optimal operating conditions of the fuel cell battery. For example, the control unit 150 is adapted to continuously monitor the voltage and current of the battery and control the water supply pump 146 (and possibly an air compressor) to maintain an appropriate water coefficient at the optimum fuel cell performance. In preferred systems, the water coefficient is from 1.5 to 40, more preferably from 3 to 6.
Как было отмечено выше, блок управления может также с помощью датчика 147 осуществлять текущий контроль температуры выхода из катода и обеспечивать подачу небольшого количества воды в том случае, когда температура на выходе из катода ниже предварительно выбранного порогового значения, соответствующего недостаточно оптимальной рабочей температуре, например, в процессе запуска топливного элемента. В другом примере регулирование указанной стадии "разогрева" может производиться с помощью реле времени, а не по выходной температуре.As noted above, the control unit can also use a sensor 147 to monitor the temperature of the exit from the cathode and provide a small amount of water when the temperature at the exit of the cathode is below a pre-selected threshold value corresponding to an insufficiently optimal operating temperature, for example, in the process of starting the fuel cell. In another example, the regulation of the specified stage of "warming up" can be done using a time relay, and not according to the output temperature.
В примере осуществления, иллюстрируемом на фиг.14, блок управления приспособлен как для проведения первоначальной тарировки батареи топливных элементов, так и для поддерживания оптимальных текущих условий ее работы. Однако было установлено, что для топливных элементов известного типа или предварительно оттарированных систем тарировочная таблица 154 предварительно может быть загружена данными, полученными при эксплуатации батареи, для использования их в блоке 150 управления потреблением воды.In the embodiment illustrated in FIG. 14, the control unit is adapted both to perform initial calibration of the fuel cell battery and to maintain optimal current operating conditions. However, it was found that for fuel cells of a known type or pre-calibrated systems, the calibration table 154 can be preloaded with data obtained from the operation of the battery for use in the water consumption control unit 150.
Несмотря на то, что пример осуществления изобретения, иллюстрируемый на фиг.14, демонстрирует "глобальное" регулирование батареи 30 топливных элементов с помощью блока 150 управления, следует понимать, что более точное регулирование может быть достигнуто в том случае, когда возможен подвод воды к различным топливным элементам или к различным группам топливных элементов. Например, если в системе имеется большое количество независимо регулируемых мест ввода воды в батарею топливных элементов, то можно отдельно измерять напряжение и ток для того, чтобы производить локальное изменения подачи воды к каждой из частей батареи топливных элементов.Although the embodiment of the invention illustrated in FIG. 14 demonstrates “global” regulation of the
Возможно использование ряда устройств, обеспечивающих подачу строго контролируемого количества жидкой фазы воды в проточные канавки, выполненные в катодных пластинах для распределения потока текучей среды. Такие типичные устройства раскрыты в заявке PCT/GB/02973 (на дату подачи данной заявки не опубликована), и их подробное описание приведено ниже со ссылками на фиг.4-9.It is possible to use a number of devices that supply a strictly controlled amount of the liquid phase of water to the flow grooves made in the cathode plates to distribute the fluid flow. Such typical devices are disclosed in PCT / GB / 02973 (as of the filing date of this application is not published), and their detailed description is given below with reference to figures 4-9.
В соответствии с фиг.4(а) и фиг.4(b) настоящее изобретение предусматривает наличие ряда каналов для подачи воды, проходящих между входным коллектором 25 для воды и отдельными канавками 16, выполненными в пластинах 40а и 40b для распределения потока текучей среды. Вообще говоря, каналы для подачи воды образованы с помощью мембраны или слоистой конструкции, размещенной на поверхности пластины 40 для распределения потока текучей воды. Каналы для подачи воды имеют входные отверстия, сообщающиеся с входным коллектором 25 для воды, и выходные отверстия, которые в пластине для распределения потока текучей среды определяют границы предварительного выбора мест подачи воды в канавки 16.In accordance with FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b), the present invention provides for a series of water supply channels extending between the
В предпочтительном исполнении слоистая структура представляет собой два слоя фольги 41, 42, покрывающие пластину 40, положение которых показано на фиг.4(а) и фиг.4(b) пунктирными линиями.In a preferred embodiment, the layered structure is two layers of
На фиг.4(а) представлен вид в плане пластины 40а для распределения потока текучей среды со змеевидной канавкой 16, покрытой фольгой 41а и фольгой 42а, имеющими первые кромки 43а, 44а, положение которых совпадает с входным коллектором 25 для воды, и вторые кромки 45а, 46а, расположенные в предварительно выбранном месте 49 канавки 16, в котором осуществляется подвод воды, или вблизи этого места.Fig. 4 (a) is a plan view of a
Фиг.4(b) иллюстрирует вид в плане пластины 40b для распределения потока текучей среды, выполненной с двумя встречно-гребенчатыми структурами 47,48 канавок, каждая из которых сообщается с соответствующим коллектором 21, 22. Пластина снабжена фольгой 41b и фольгой 42b, первые кромки 43b, 44b которых совмещены с входным коллектором 25 для воды, а вторые кромки 45b, 46b расположены в предварительно выбранных местах канавки 47, в которых осуществляют подвод воды, или вблизи этих мест подвода. Следует отметить, что указанные две фольги могут быть продублированы на противоположном краю пластины 40b между вторым входным коллектором 25 для воды и предварительно выбранными местами ввода воды на канавке 48.4 (b) illustrates a plan view of a fluid flow distribution plate 40b formed with two counter-comb structures of 47.48 grooves, each of which communicates with a
На фиг.5 представлен детальный вид сверху конфигурации фольги 41 для распределения воды, иллюстрирующий предпочтительные пути прохождения каналов 50 для подачи воды. Каналы 50 образованы первым рядом канавок 51, которые продолжаются от первой кромки 43 фольги 41, размещенной у входного коллектора 25 для воды, к галерее или небольшому пространству 52, распределяющему воду по давлением и размещенному по длине фольги 41. Распределительная галерея 52 сообщается со вторым рядом канавок 53, которые проходят ко второй кромке 45 фольги для сообщения с канавками 16, выполненными в пластине для распределения текучей среды. Для реализации указанного сообщения второй ряд канавок 53 сгруппирован таким образом, чтобы они заканчивались соответствующими сходящимися конфигурациями 54 на второй кромке 45 фольги 41, служащей для подачи воды.FIG. 5 is a detailed plan view of a configuration of a
В иллюстрируемом предпочтительном воплощении сходящиеся конфигурации 54 канавок заканчиваются в дугообразных выемках 55, вырезанных во второй кромке 45 фольги 41 в местах 49 ввода воды, которые соответствуют предварительно выбранным местоположениям поверх канавок 16, показанных на фиг.5 контурными линиями.In the illustrated preferred embodiment, the converging configurations of the 54 grooves end in
Галерея 52 для распределения воды под давлением предпочтительно включает в себя группу сообщающихся канавок 56, которые отводят входящий поток воды от первого ряда канавок 51 и эффективно распределяют его вдоль всей длины фольги 41 так, чтобы в каждую группу второго ряда канавок 53 вода поступала по существу с одинаковым давлением.The pressurized
Покрывающая фольга 42, показанная фиг.4(а) и фиг.4(b), представляет собой фольгу без рельефной структуры (т.е. без канавок), имеющую по существу одинаковый внешний профиль с нижней фольгой. Покрывающая фольга 42 выступает за пределы кромки распределительной фольги 41, по меньшей мере, на концах второго ряда канавок, чтобы обеспечить направление воды вниз в необходимую канавку 16 распределительной пластины. Наиболее удобно такое наложение одной фольги на другую достигается с помощью выемки 55, сформированной в распределительной фольге 41, а не в покрывающей фольге 42. Таким образом, как лучше всего видно на увеличенном изображении поперечного сечения на фиг.6, покрывающая фольга 42 образует верхний закрывающий герметизирующий элемент для канавок 51, 52 и 53 с образованием каналов 50 для подачи воды, а концы канавок 51 и 53 остаются открытыми. В представленном воплощении покрывающая фольга 42 может быть выполнена слегка большего размера, чем распределительная фольга 41, так, что она перекрывает вторую кромку 45 (а возможно и первую кромку 43) с получением такого же результата.The
Следует отметить, что слои фольги выполнены весьма тонкими по сравнению с толщиной пластины 40 и легко размещаются внутри мембраноэлектронной сборки 34 при наличии какой-либо прокладки, размещенной между пластинами. На фиг.6 для ясности эти элементы показаны с небольшим разделением, хотя в сборе они, конечно, будут прижаты друг к другу.It should be noted that the foil layers are made very thin compared to the thickness of the
На фиг.7 схематически представлена перспектива водораспределительной фольги 41, размещенной поверх пластины 40 для распределения потока текучей среды, и показано совмещение различных канавок и коллекторов.7 schematically shows the perspective of a
Следует отметить, что канавки 51, 52 и 53 для распределения воды не обязательно формировать в нижней фольге 41. В другом примере осуществления, показанном на фиг.8, канавки 80 для распределения воды образованы на нижней поверхности верхней фольги 82, в то время как нижняя фольга 81 служит элементом, закрывающим канавки 80 с образованием проточных каналов для подачи воды. Другими словами, распределительная фольга 82 и покрывающая фольга 81 в этом примере исполнения поменялись местами по сравнению с конструктивным выполнением, показанным на фиг.6.It should be noted that the
В конструктивном выполнении, представленном на фиг.8, по меньшей мере, второй ряд канавок (по сравнению с канавками 53 на фиг.5) не доходит точно до второй кромки 83 верхней фольги, а заканчивается в точках, близких ко второй кромке. Нижняя (покрывающая) фольга 81 будет проходить почти до конца канавок 80, но предпочтительно будет заканчиваться немного раньше этих канавок, чтобы была обеспечена возможность сообщения по текучей среде между концом канавки 80 и канавкой 16 пластины в местах 49 ввода воды.In the embodiment shown in FIG. 8, at least the second row of grooves (compared to
Как отмечено выше, нижняя (покрывающая) фольга 81 закрывает канавки 80, образуя преграду, предотвращающую вытекание из них воды в нижележащие канавки 16, имеющиеся в пластине 40 для распределения потока текучей среды, в не предусмотренных местах, например там, где каналы для подачи воды пересекают канавки 16 для протекания топлива и/или окислителя (например, в точке 85).As noted above, the lower (covering)
Предпочтительно, обе описанные выше фольги изготовлены из металла, например из нержавеющей стали. Однако может быть использован любой подходящий металл, имеющий соответствующие свойства для удерживания воды под давлением, и термин "фольга", используемый в тексте описания настоящего изобретения, следует толковать соответствующим образом. Предпочтительно фольги являются электропроводящими, однако, это не является необходимым, поскольку они не проходят в рабочую зону МЭС.Preferably, both of the foils described above are made of metal, for example stainless steel. However, any suitable metal having appropriate properties for holding water under pressure can be used, and the term “foil” used in the text of the description of the present invention should be interpreted accordingly. Preferably, the foils are electrically conductive, however, this is not necessary since they do not extend into the MES working area.
В предпочтительном воплощении канавки 16 для текучей среды в анодных или катодных пластинах 40, как правило, имеют ширину и глубину от 0,4 мм до 1,2 мм. Установлено, что ширина и глубина канавки, вытравленной химически в фольге для распределения воды, составляющая порядка 10 мкм, достаточна для обеспечения подачи воды в необходимом количестве.In a preferred embodiment, the
При практическом использовании давление воды, подводимой через коллектор 25, регулируют для создания значительной разности между давлением подачи воды и давлением газа в канавках 16 для распределения текучей среды, достигая равномерного распределения воды по тысячам каналам, по которым она протекает. В предпочтительном воплощении воду подводят к коллектору при давлении воды по манометру в интервале от 0,5 до 3 бар.In practical use, the pressure of the water supplied through the manifold 25 is adjusted to create a significant difference between the water supply pressure and the gas pressure in the
Преимущество данного подхода к решению поставленной задачи заключается в том, что описанная мембрана для распределения воды имеет крайне малую толщину и легко может быть размещена внутри имеющегося объема в биполярных пластинах или в зонах размещения прокладок.The advantage of this approach to solving the problem lies in the fact that the described membrane for the distribution of water has an extremely small thickness and can easily be placed inside the existing volume in bipolar plates or in the areas of the gaskets.
Точность объемного распределения воды может также достаточно строго регулироваться с помощью подходящей конфигурации каналов и размеров канавок.The accuracy of the volumetric distribution of water can also be quite strictly regulated using a suitable channel configuration and groove size.
Как показано на фиг.9, вода, которая распределяется по канавкам 90 встречно-гребенчатой структуры в пластине 40 для распределения текучей среды, может быть введена или в месте 91 расположения входного участка канавки, за подводящей канавкой 92, или, в качестве альтернативы, в выходной конец 93 канавки, в точке 94, находящийся на том же конце биполярной пластины, где размещен входной водяной коллектор.As shown in FIG. 9, water that is distributed over the
Преимущество подачи воды в выходные участки канавки заключается в уменьшении перепада давления в потоках реагирующих газов. Это обусловлено тем, что вода не проходит через диффузионный материал и не перекрывает объем пор для прохода газа. Кроме того, непрохождение потока воды через диффузионный материал будет также уменьшать истирание этого материала, его постепенное дробление и повреждение конструкции.The advantage of supplying water to the outlet portions of the groove is to reduce the pressure drop in the reactant gas streams. This is due to the fact that water does not pass through the diffusion material and does not overlap the pore volume for gas passage. In addition, the non-passage of water flow through the diffusion material will also reduce the abrasion of this material, its gradual crushing and structural damage.
Процесс испарительного охлаждения эффективно действует в выходных участках канавок, а содержание воды в мембране поддерживается благодаря насыщению воздуха парами воды.The process of evaporative cooling effectively operates in the outlet sections of the grooves, and the water content in the membrane is maintained due to the saturation of air with water vapor.
Следует отметить, что в пределах объема формулы изобретения предусмотрены и другие примеры осуществления изобретения.It should be noted that, within the scope of the claims, other embodiments of the invention are provided.
Claims (22)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB0330272A GB2409763B (en) | 2003-12-31 | 2003-12-31 | Water management in fuel cells |
GB0330272.6 | 2003-12-31 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006127407A RU2006127407A (en) | 2008-02-10 |
RU2356133C2 true RU2356133C2 (en) | 2009-05-20 |
Family
ID=31503355
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006127407/09A RU2356133C2 (en) | 2003-12-31 | 2004-12-31 | Water distribution control in fuel cells |
Country Status (16)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US8277998B2 (en) |
EP (1) | EP1719199B1 (en) |
JP (1) | JP5193467B2 (en) |
KR (1) | KR101166251B1 (en) |
CN (1) | CN100502118C (en) |
AR (1) | AR047358A1 (en) |
AT (1) | ATE551742T1 (en) |
BR (1) | BRPI0418263B1 (en) |
CA (1) | CA2551674C (en) |
ES (1) | ES2394955T3 (en) |
GB (1) | GB2409763B (en) |
MX (1) | MXPA06007516A (en) |
NO (1) | NO336638B1 (en) |
RU (1) | RU2356133C2 (en) |
WO (1) | WO2005064727A2 (en) |
ZA (1) | ZA200605295B (en) |
Families Citing this family (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2382455B (en) * | 2001-11-07 | 2004-10-13 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell fluid flow field plates |
GB2412784B (en) * | 2002-01-18 | 2006-08-23 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell oxygen removal and pre-conditioning system |
GB2390738B (en) * | 2002-07-09 | 2005-05-11 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell direct water injection |
GB2401986B (en) * | 2003-05-17 | 2005-11-09 | Intelligent Energy Ltd | Improvements in fuel utilisation in electrochemical fuel cells |
GB2409763B (en) | 2003-12-31 | 2007-01-17 | Intelligent Energy Ltd | Water management in fuel cells |
GB2413002B (en) * | 2004-04-08 | 2006-12-06 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell gas distribution |
GB2422716B (en) * | 2005-01-26 | 2007-08-22 | Intelligent Energy Ltd | Multi-layer fuel cell diffuser |
GB2434845B (en) * | 2006-02-01 | 2010-10-13 | Intelligent Energy Ltd | Variable compressibility gaskets |
US7943259B1 (en) | 2006-12-18 | 2011-05-17 | University Of South Florida | Method of controlled delivery for use of electrochemical power source |
GB2453127A (en) * | 2007-09-26 | 2009-04-01 | Intelligent Energy Ltd | Fuel Cell System |
GB2453126B (en) | 2007-09-26 | 2013-02-06 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell system |
GB2464946B (en) * | 2008-10-30 | 2012-05-16 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell cooling |
FR2940196B1 (en) | 2008-12-22 | 2010-12-10 | Renault Sas | DEVICE AND METHOD FOR COOLING A THERMAL MEMBER OF A MOTOR VEHICLE |
JP5680760B2 (en) * | 2010-10-06 | 2015-03-04 | ユーティーシー パワー コーポレイション | Evaporative cooling fuel cell with water passage improved by wick |
JPWO2012117525A1 (en) * | 2011-03-01 | 2014-07-07 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
GB2533265B (en) * | 2014-12-01 | 2021-09-15 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell system |
JP6696696B2 (en) * | 2017-03-21 | 2020-05-20 | 株式会社東芝 | Electrochemical reactor |
CN109256573B (en) * | 2018-10-24 | 2023-05-26 | 天津中德应用技术大学 | Air flow regulating method and device for proton exchange membrane hydrogen fuel cell stack |
WO2020159696A2 (en) | 2019-01-29 | 2020-08-06 | Bloom Energy Corporation | Fuel cell system containing water injector and method of operating the same |
WO2022076450A1 (en) * | 2020-10-05 | 2022-04-14 | Alakai Technologies Corporation | Health assessment and monitoring system and method for clean fuel electric vehicles |
CN114335623A (en) * | 2021-12-29 | 2022-04-12 | 潍柴动力股份有限公司 | Method and device for testing liquid water tolerance of cathode and anode of fuel cell stack |
Family Cites Families (29)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2533215C3 (en) * | 1975-07-25 | 1980-08-14 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Method for keeping the operating temperature and electrolyte concentration constant in a fuel cell battery designed for raw gas / air operation with a fixed acidic electrolyte |
DE3738370C1 (en) | 1987-11-12 | 1989-04-13 | Dornier System Gmbh | Electrochemical cell with immobile electrolyte |
US5935726A (en) * | 1997-12-01 | 1999-08-10 | Ballard Power Systems Inc. | Method and apparatus for distributing water to an ion-exchange membrane in a fuel cell |
US6174616B1 (en) * | 1998-10-07 | 2001-01-16 | Plug Power Inc. | Fuel cell assembly unit for promoting fluid service and design flexibility |
JP4200576B2 (en) * | 1999-02-23 | 2008-12-24 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
IT1312198B1 (en) | 1999-04-21 | 2002-04-09 | De Nora Spa | COOLED FUEL CELL BY DIRECT INJECTION OF AQUALIQUIDA |
US6316135B1 (en) | 1999-07-22 | 2001-11-13 | International Fuel Cells Llc | Direct antifreeze cooled fuel cell |
US6376111B1 (en) * | 2000-01-25 | 2002-04-23 | General Motors Corporation | System and method for controlling the humidity level of a fuel cell |
JP2001351655A (en) * | 2000-06-05 | 2001-12-21 | Honda Motor Co Ltd | Gas supply device for a fuel cell |
DE10036916B4 (en) * | 2000-07-28 | 2006-12-21 | Truma Gerätetechnik GmbH & Co. KG | A fuel cell stack and method of humidifying a reactant in a fuel cell stack |
US6485857B2 (en) * | 2000-12-29 | 2002-11-26 | Utc Fuel Cells, Llc | Fuel cell hybrid flow field humidification zone |
US7132179B2 (en) * | 2001-03-28 | 2006-11-07 | Ballard Power Systems Inc. | Methods and apparatus for improving the cold starting capability of a fuel cell |
JP4950386B2 (en) * | 2001-04-06 | 2012-06-13 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell warm-up device |
JP4708623B2 (en) * | 2001-08-22 | 2011-06-22 | 株式会社西部技研 | Fuel cell |
JP2003068337A (en) | 2001-08-24 | 2003-03-07 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
GB2382455B (en) | 2001-11-07 | 2004-10-13 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell fluid flow field plates |
US6794077B2 (en) * | 2001-12-28 | 2004-09-21 | Utc Fuel Cells, Llc | Passive water management fuel cell |
GB2412784B (en) | 2002-01-18 | 2006-08-23 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell oxygen removal and pre-conditioning system |
GB2387959C (en) | 2002-03-28 | 2005-02-09 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell compression assembly |
JP4281382B2 (en) | 2002-04-19 | 2009-06-17 | ソニー株式会社 | Generated water treatment system and power generation device |
ITMI20021338A1 (en) * | 2002-06-17 | 2003-12-17 | Nuvera Fuel Cells Europ Srl | MEMBRANE ELECTROCHEMICAL GENERATOR WITH DIRECT INJECTION OF LIQUID WATER IN GASEOUS AGENTS |
JP3760895B2 (en) | 2002-07-03 | 2006-03-29 | 日本電気株式会社 | LIQUID FUEL SUPPLY FUEL CELL, FUEL CELL ELECTRODE, AND METHOD FOR PRODUCING THEM |
GB2390738B (en) | 2002-07-09 | 2005-05-11 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell direct water injection |
GB2396688B (en) | 2002-11-22 | 2006-06-28 | Intelligent Energy Ltd | Thermal energy management in electrochemical fuel cells |
GB2401986B (en) | 2003-05-17 | 2005-11-09 | Intelligent Energy Ltd | Improvements in fuel utilisation in electrochemical fuel cells |
GB2409763B (en) | 2003-12-31 | 2007-01-17 | Intelligent Energy Ltd | Water management in fuel cells |
GB2413002B (en) | 2004-04-08 | 2006-12-06 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell gas distribution |
GB2422717B (en) | 2005-02-01 | 2007-11-14 | Intelligent Energy Ltd | Detachable fuel cell power unit for vehicle applications |
GB2434845B (en) | 2006-02-01 | 2010-10-13 | Intelligent Energy Ltd | Variable compressibility gaskets |
-
2003
- 2003-12-31 GB GB0330272A patent/GB2409763B/en not_active Expired - Fee Related
-
2004
- 2004-12-29 AR ARP040104954A patent/AR047358A1/en not_active Application Discontinuation
- 2004-12-31 WO PCT/GB2004/005463 patent/WO2005064727A2/en active Application Filing
- 2004-12-31 RU RU2006127407/09A patent/RU2356133C2/en not_active IP Right Cessation
- 2004-12-31 EP EP04806257A patent/EP1719199B1/en active Active
- 2004-12-31 BR BRPI0418263A patent/BRPI0418263B1/en not_active IP Right Cessation
- 2004-12-31 MX MXPA06007516A patent/MXPA06007516A/en active IP Right Grant
- 2004-12-31 AT AT04806257T patent/ATE551742T1/en active
- 2004-12-31 KR KR1020067015526A patent/KR101166251B1/en active IP Right Grant
- 2004-12-31 ES ES04806257T patent/ES2394955T3/en active Active
- 2004-12-31 US US10/584,780 patent/US8277998B2/en active Active
- 2004-12-31 CN CNB2004800422258A patent/CN100502118C/en active Active
- 2004-12-31 CA CA2551674A patent/CA2551674C/en not_active Expired - Fee Related
- 2004-12-31 JP JP2006546338A patent/JP5193467B2/en active Active
-
2006
- 2006-06-23 NO NO20062957A patent/NO336638B1/en not_active IP Right Cessation
- 2006-06-27 ZA ZA2006/05295A patent/ZA200605295B/en unknown
-
2012
- 2012-08-28 US US13/596,456 patent/US8609288B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20120321972A1 (en) | 2012-12-20 |
CA2551674C (en) | 2012-05-22 |
NO336638B1 (en) | 2015-10-12 |
GB2409763A (en) | 2005-07-06 |
NO20062957L (en) | 2006-07-31 |
US8277998B2 (en) | 2012-10-02 |
ATE551742T1 (en) | 2012-04-15 |
CN1922749A (en) | 2007-02-28 |
BRPI0418263B1 (en) | 2015-09-22 |
US20080248336A1 (en) | 2008-10-09 |
AR047358A1 (en) | 2006-01-18 |
JP5193467B2 (en) | 2013-05-08 |
US8609288B2 (en) | 2013-12-17 |
GB0330272D0 (en) | 2004-02-04 |
KR101166251B1 (en) | 2012-07-17 |
WO2005064727A3 (en) | 2006-05-18 |
MXPA06007516A (en) | 2006-08-31 |
JP2007517365A (en) | 2007-06-28 |
ZA200605295B (en) | 2012-12-27 |
CN100502118C (en) | 2009-06-17 |
GB2409763B (en) | 2007-01-17 |
KR20060128989A (en) | 2006-12-14 |
EP1719199B1 (en) | 2012-03-28 |
EP1719199A2 (en) | 2006-11-08 |
BRPI0418263A (en) | 2007-08-21 |
ES2394955T3 (en) | 2013-02-07 |
WO2005064727A2 (en) | 2005-07-14 |
RU2006127407A (en) | 2008-02-10 |
CA2551674A1 (en) | 2005-07-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2356133C2 (en) | Water distribution control in fuel cells | |
US8029942B2 (en) | Fuel cell system with flow field capable of removing liquid water from the high-pressure channels | |
US7438986B2 (en) | Fuel cell system with improved humidification system | |
US6376110B1 (en) | Method for regulating membrane moisture of a polymer electrolyte fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell | |
US7976991B2 (en) | Relative humidity control for a fuel cell | |
US8399142B2 (en) | Relative humidity profile control strategy for high current density stack operation | |
US6855442B2 (en) | Fuel cell and method of operating same | |
ZA200500297B (en) | Fuel cell direct water injetcion | |
US7335437B2 (en) | Fuel cell stack | |
US6682835B2 (en) | Method and apparatus for increasing the operational efficiency of a fuel cell power plant | |
US7090941B2 (en) | Fuel cell stack and a method of supplying reactant gases to the fuel cell stack | |
ATE274753T1 (en) | PEM FUEL CELL STACK WITH COOLING MEDIA DISTRIBUTION STRUCTURE | |
JP4969040B2 (en) | Internal gas controlled fuel cell | |
JP2007179973A (en) | Polymer electrolyte fuel cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170101 |